JPH02130286A

JPH02130286A - 空気調和機

Info

Publication number: JPH02130286A
Application number: JP63280302A
Authority: JP
Inventors: Nobukazu Takagi; 伸和高木; Kenichi Endo; 健一遠藤; Takeshi Seto; 毅瀬戸; Tatsuya Shimoda; 達也下田
Original assignee: Seiko Epson Corp; Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp; Seiko Epson Corp
Priority date: 1988-11-08
Filing date: 1988-11-08
Publication date: 1990-05-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、スクロール形圧縮機を備え、空調装置、冷凍
装置等に利用される空気調和機に関する。

（従来の技術）従来の空気調和機においては、圧縮機としては一般に、
レシプロ型あるいはローリングピストン型の圧縮機が使
用され、これを駆動する電動機としては、誘導電動機を
使用したものや、電動機の回転子にフェライト磁石を用
いた無刷子直流電動機を備えたものが提案されている。

ところが、上記レシプロ型、あるいはローリングピスト
ン型の圧縮機は、第８図にこれらの圧縮トルクの特性ａ
、ｂを示すように、回転角度における圧縮トルク変動が
大きいので、駆動トルクを平滑化するために大きな慣性
質量をもたせる必要があった。尚、特性ａはレシプロ２
気筒型、特性すはローリングピストン型を示す。また、
これらは構造的にも各シール部の摺動速度が大きいこと
から、高速運転時での効率低下が大きいものであった。

更に、誘導電動機の起動トルクが小さいので、圧縮機の
再起動時には、高圧側と低圧側がバランスするまでの数
分間の間強制停止させたり、バイパスバルブで圧力バラ
ンスをとる方式が行なわれているが、強制停止では制御
性が悪く、バイパスバルブ方式ではエネルギーロスが大
きくなってしまう欠点があった。

一方、上記フェライト磁石を使用した無刷子直流電動機
を用いたものは、誘導電動機に較べ起動トルクは大きい
ものの、磁石の最大エネルギー積が小さいため、強制停
止およびバイパスバルブ方式無しで再起動するには、充
分な起動トルクは得られなかった。また、大トルクを得
るためには大電流を必要とするが、フェライト磁石の保
磁力が小さいために一定以上の電流を流すと減磁してし
まうという問題もあった。

そこで、最近、スクロール型圧縮機を用いた密閉形電動
圧縮機が実用化されている。このスクロール型圧縮機は
、互いに偏心運動する２つの渦巻の間に複数の圧縮室を
構成して圧縮を行なうもので、第８図に圧縮トルクの特
性Ｃを示すように、他の圧縮機と比較して回転角度によ
る圧縮トルク変動が極めて小さいので、再起動時の電動
機トルクが小さくて済み、しかも圧縮行程が連続するこ
とから、隣の圧縮室との差圧が小さくなって圧縮行程に
おけるガスの漏れが少なく、他種の圧縮機に比較して１
０％以上の効率の向上が図れる。

また、各摺動部では局部的に公転運動のみを行なうので
、摺動速度が小さくなって高速回転が可能になり、小型
化が容易であるという利点がある。

（発明が解決しようとする課題）しかし、従来の空気調和機では、圧縮機の電動機として
誘導電動機を用いていたので、電動機部の入出力効率が
最高でも７０％程度までしかとれず、電動機の出力トル
クが永久磁石を用いた電動機に比して小さくなって、充
分な起動トルクを確保するには大型の電動機が必要とな
り、その上、再起動時の圧力バランスを採るには依然と
して制御性の悪い方式によらねばならない不具合があっ
た。更に、高速回転が可能なスクロール型圧縮機を用い
て１回転あたりの吐出量を減らし圧縮機部の体積、重量
を小さくしても、従来から密閉形電動圧縮機の体積、重
量の８０〜９０％を電動機部が占めていたため、スクロ
ール型圧縮機による圧縮機部の小型化の効果が現れ難い
結果をもたらしていた。また、効率面においても、スク
ロール型の高効率を生かしきれず、電動機の効率が冷却
システム全体の効率を支配するという結果を生じていた
。

また更に、誘導電動機は駆動周波数変調による速度制御
を必要とし、そのためのインバータ回路は非常に高価と
なる不具合があった。

一方、第５表に示したフェライト磁石を使用した無刷子
直流電動機を用いた場合は、最大エネルギー積が３．３
ＭＧＯｅ、また、残留磁束密度が３．８ＫＧと小さいこ
とから、モータの駆動に十分なトルクを発生するために
は、磁気回路のパーミアンスを上げることが必要となっ
て多量の磁石を必要とし、電動機が大型となってしまう
欠点があった。

第　　　５　　　表さらに、スクロール型圧縮機の特徴を生かし高速回転で
使用する場合、遠心力による応力が、永久磁石の材料強
度およびローターへの磁石の固着力以上になると、回転
子が破壊するという課題を有していた。

また、回転子にフェライト磁石を使用した電動機では、
前述したように多量の磁石を必要とするため、遠心力も
大きくなり、第９図に示す断面図のように、扇状の断面
に形成された磁石柱９０１を、回転軸９０２に取付けら
れた継鉄９０３の周面に設け、磁石柱９０１の外周を非
磁性金属等から成る保護部材９０４で覆って、破壊を防
止する構造が必要となるが、これによれば、回転子の製
造工程が複雑なるだけでなく、回転子と固定子との空隙
がこの保護部材の厚み分だけ実質的に増加したことにな
り、その結果磁気抵抗が増加し、磁束密度が減少し効率
を低下させるという課題も有していた。

本発明は、従来のこのような問題点を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、小型で且つ高
効率であり、更に速度制御が容易で、その上、高速回転
時においても電動機が破壊されることの無い信頼性の高
い空気調和機を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明の空気調和機は、圧縮機と該圧縮機の駆動軸に直
結された無刷子直流電動機を有する空気調和機であって
、前記圧縮機を、スクロール形圧縮機により構成すると
ともに、前記無刷子直流電動機の回転子を、イツトリウ
ムを含む希士類元素、遷移金属およびボロンを基本成分
とする永久磁石を用いて構成したものである。

（作　用）希土類、遷移金属、及びボロンを基本成分とする永久磁
石を使用した無刷子直流電動機により起動トルクが大き
くなり、且つスクロール形圧縮機を採用することにより
、トルク変動を小さくすることができるので、再起動を
いかなる圧力条件においても可能とすることができ、効
率が高まる。

また、無刷子直流電動機によるため、小型化を可能とし
て速度制御が容易となり、更にスクロール形圧縮機によ
るため高速化が可能となり、小型で再起動容易性と高速
性の双方の能力を両立させることが可能となる。

（実施例）本発明の第１の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図中、ＩＡ、ＩＢは互いに密閉状態に接合された圧
縮ケース、２Ａ、２Ｂは互いに接合されケースＩＡに固
定された上部軸受支持部材、３はケースＩＢに固定され
た下部軸受支持部材であり、上部軸受支持部材２Ａ又は
２Ｂには軸受４又は５を介し、下部軸受支持部材３には
軸受６を介して電動機７の駆動軸８が支承されている。

駆動軸８には筒状の回転子９が固着され、この回転子９
は、磁石背面継鉄１０と、この周面にＮ極とＳ極となる
ように着磁された永久磁石１１により構成されている。

また、永久磁石１１の周囲には、積層鉄心からなる筒状
の固定子１２が、支持部材１３を介して下部軸受支持部
材３に固定されている。上記固定子１２には巻線コイル
１４が挿入され、無刷子直流電動機７を構成している。

尚、１５は、巻線コイル１４に接続され巻線コイル１４
を励磁するリード線を示す。

上記駆動軸８の上端側には、駆動軸８から所定寸法文だ
け偏心した偏心部８Ａが一体的に固着され、この偏心部
８Ａが可動側スクロール部材１６の連結部１６Ａに軸受
１７を介して挿入されており、偏心部８Ａの旋回によっ
て可動側スクロール部材１６が旋回駆動される。可動側
スクロール部材１６は、ケースＩＡに固定された固定側
スクロール部材１８に噛み合っており、可動側スクロー
ル部材１６の背面側と上部軸受支持部材２Ａとの間には
、可動側スクロール部材１６の自転をさせずに公転のみ
を許容するボール２４が介装されている。そして、可動
側スクロール部材１６は、固定側スクロール部材１８と
駆動軸８の偏心量に従って摺動し、噛み合いにより形成
される密閉小室の容積を次第に減少させて冷媒を圧縮し
、固定側スクロール部材１８の吐出口１９より吐出する
。尚、２０はリードバルブ、２１は冷媒吸入パイプ、２
２は冷媒吐出パイプである。

また、上記継鉄１ｏの周面の永久磁石１１側方に対向す
るようホール素子２３が支持部材１３に取付けられ、こ
れによって、回転子９の磁石１１の位置検出が行なわれ
る。このホール素子２３は、潤滑油がガス中に混入して
いる密閉電動機内においても、汚れ等の影響を受けずに
安定した磁石位置検出を行なうことができる。そして、
このホール素子２３による回転時の磁石位置の検出に基
づいて、パルスレートモジュレーションによる電圧制御
を用いて駆動される構成であり、これにより簡単にしか
も低コストで高効率の回転数制御ができる。

また、本実施例では、上記回転子９の永久磁石１１は、
Ｒ（但しＲはＹを含む希士類元素のうち少なくとも１種
）、遷移金属およびボロンを基本成分とする希土類永久
磁石により形成されており、例えば第１表に示す合金組
成で下記のような製造法により形成した。

第　　　　１　　　　表まず、回転子ａを製造するには所望組成となるように、
誘導加熱炉で溶解鋳造する。

次に、第２図に示すように、この鋳造インゴットを円筒
状に加工した１０１に純鉄等の軟磁性体円柱１０２を内
側に入れ、外側には内面にボロンナイトライドを塗布し
た５ｕｓ３０４製の厚み２０ｍｍのパイプ１０３を挿入
した後、脱気してパイプの両端を閉じ、大気中で第２図
に示す押し出し機にてパイプ１０３の厚みが元厚の１０
％になるまでプレスした。その後、１０００９Ｃ２４時
間の熱処理を施し、次にパイプ１０３を除去し、軟磁性
体円柱１０２、すなわち継鉄１０の中心に、第３図に示
すように、挿通孔９ａをあけて駆動軸８に圧入により固
定し、回転子９を得た。

尚、磁石の組成としては第１表に示した組成に限らず、
希土類金属としては、Ｙ、　Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｐｒ、Ｎ
ｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、　Ｔｂ、　Ｄｙ、　Ｈｏ
、Ｅｒ、　Ｔｍ、　Ｙｂ、　Ｌｕが候補として挙げられ
、これらのうち１種類、あるいは２種類以上を組み合せ
て用いられる。最も高い磁気特性は、Ｐｒで得られる。

遷移金属としてはＦｅ、　Ｎｉ、　Ｃｕ等が候補として
挙げられ、これらのうち、１種類、あるいは２種類以上
を組み合せて用いてもよい。また、小量の添加元素、例
えば重希土類のＤ３／、　Ｔｂ等や、Ａ１．　Ｓｉ、　
Ｍｏ、　Ｇａ、Ｉｎ、　Ａｇ、　Ａｕ等は保磁力の向上
に有効である。

このような圧縮機では、永久磁石１１を有する無刷子直
流電動機にしたことにより、第４図に電動機部単体での
等効率線図を示すように、回転数や圧縮トルクの変動に
対しても安定した高い効率を示している。すなわち、回
転数０〜７０００ｒｐｍ、電動機出力トルク０〜Ｉ　Ｋ
ｇｍの使用領域中、電動機部の出力効率が８５％以上で
ある領域が６０％を越えている。

また、上記製造法により得られた回転子９の磁気特性を
測定したところ、第２表に示す結果が得られた。

第　　　　２　　　　表このような永久磁石１１は、ｒ方向（径方向）及びＵ方
向（周方向）の磁気特性が高い面内異方性の磁石になっ
ていることがわかる。更に９００°Ｃの雰囲気で熱間加
工されているため、永久磁石は一緒に加工した軟磁性体
に固相接合しており、高速回転時にもこの部分での剥離
が生じないだけでなく、軟磁性体が磁石の補強材の役目
もする。また磁石自体も粉末プロセスを経ず製作されて
いるため、従来のフェライト磁石に比べ強度が増してい
る。さらに、第２表に示したように、磁気特性が優れて
いるため使用量が少なくて済み、従って小型化軽量化が
でき、磁石に加わる遠心力も減少するので、高速回転時
の信頼性の高い回転子が実現できた。この結果、スクロ
ールタイプの圧ｍ機の高速回転にも充分対応できるとと
もに、圧縮機全体の小型軽量化を図ることが可能となっ
た。

次に、電動機の回転子の第２実施例を第５図に基づいて
説明する。

本実施例の回転子９は磁石１１と継鉄１０が一体構造に
形成され、以下の製造法により形成したものである。

第　　　　３　　　　表まず、第３表の組成となるように、誘導加熱炉で溶解鋳
造し、得られた鋳造インゴットを平均粒径５７ｚｍ（フ
ィッシャーサブシーサブサイザーによる）にまで粉砕し
、グラファイト型中で外径φ６０ｍｍ、高さ４０ｍｍの
磁石成形体を作成する。

次に、第５図に示す後方押し出し機を用いて、磁石成形
体２０１を型２０２内に入れ、Ａｒ雰囲気中、　９００
°Ｃで軟磁性体からなるフランジ付シェル２０３を先端
外周に有する外形φ５２ｍｍのマンドレル２０４を矢印
の方向に押すことにより、磁石成形体２０１をマンドレ
ル２０４の進行方向（矢印方向）の逆方向（後方）へ押
し出し、ラジアル配向したリング状磁石を得た。この場
合、磁石の押し出し前の断面積を押し出し後の断面積て
割った押し出し比は、約４で加工を行なった。そして、
マンドレルから磁石付シェルを取外し、先端部を切り落
してできあがったシェル付磁石をそのまま回転軸８に固
定する。固定方法としては圧入の他に、フランジ部を利
用し回転軸にネジ止めにより固定してもよい。

本実施例によれば、回転子９を９００°Ｃアルゴン雰囲
気中で熱間加工することにより形成しているので、磁石
部分が継鉄部分に固相接合され、強力な密着力を得るこ
とができ、電動機の高速回転時の遠心力にも更に対応す
ることが可能である。また、回転子９のｒ方向（径方向
）、ｕ方向（周方向）、ｚ方向（軸方向）の３方向の磁
気測定を行なった結果を第４表に示すように、本実施例
によれば、ｒ方向に磁気特性が最も高い回転子が得られ
、後方押し出しによりラジアル配向していることがわか
る。

第　　　４　　　　表また本実施例の回転子によれば、フランジ部分を可動側
スクロール部材の偏心分のアンバランスを調整するため
の部材を兼ねる形状とすることにより、構造の簡略化も
可能となった。

更に、回転子の第３実施例について説明する。

本実施例の回転子９は、その軸方向から見た側面図が第
６図に示すように構成されている。図中、３０１は希土
類、遷移金属およびボロンを主成分とする磁石、３０２
は熱間圧延加工の結果永久磁石に固相接合された主ヨー
ク、３０３は補助ヨークである。主ヨーク３０２と補助
ヨーク３０３は結合板３０４と固定ネジ３０５により固
定されている。そして、回転軸８を補助ヨーク３０３の
挿入孔に圧入することにより取付けられている。永久磁
石３０１は、Ｓ極が対向するように着磁されており、従
って回転子９全体としては、第６図に示すように、補助
ヨーク３０３と補助ヨーク３０３に密着した主ヨーク３
０２の円周部分がＳ極に、永久磁石３０１のＮ極側に密
着した主ヨーク３０２がＮ極となり、４極の回転子とな
っている。

このような回転子９は、以下のようにして形成されてい
る。

すなわち、第１実施例で述べた組成の磁石合金を溶解し
、純鉄等の軟磁性体からなる鋳型に鋳込み、冷却後９５
０°Ｃに加熱して熱間加工を行ない、ついで熱処理を行
ない、第７図に示すような板状の永久磁石３０１と主ヨ
ーク３０２の固相接合体を得る。この場合の永久磁石３
０１の磁気特性を第５表に示す。

第５表固相接合体はスライサ３０７を用いて半円状に切り出し
、回転軸８側となる主ヨーク６０２側にネジ穴加工をし
た後、回転軸８を圧入した補助ヨーク６０３と結合板６
０５により組み立てた。

その後研削加工によって所望の直径に加工し、反発磁界
による着磁を行ない回転子９を得た。

本実施例では、鋳型と一緒に磁石を熱間圧延した例を記
したが、鋳造インゴットを軟磁性体からなるシースに入
れた後、熱間加工を施しても同等の特性を持った磁石が
得られる。

次に、回転子の第４実施例について説明する。

第６表に示した組成の合金を、アモルファス合金を製造
する真空メルトスピニング装置を使用して、厚さ３０用
ｍ程度の急冷薄片を造り、この薄片をホットプレスし、
バルク化した後、実施例２で述べた後方押し出し加工す
ることによりラジアル配向した永久磁石が、ヨークに固
相接合した永久磁石回転子を得ることができた。

第　　　　６　　　　表（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、圧縮機としてス
クロール形の圧縮機を採用したことによりトルク変動が
小さく、高速回転域でも高効率の圧縮機を得ることが可
能となる一方、無刷子直流電動機の回転子を希土類、遷
移金属及びボロンな基本成分とする永久磁石を用いて構
成したことにより、高い磁気特性が得られ、電動機部分
の小型化が可能となるとともに、強度が向上するので、
回転時に作用する遠心力により回転子が破壊することが
なく、高速化が可能となり、スクロール形圧縮機とこの
電動機の双方を組合せることにより、小型で且つ再起動
容易と高速性の双方の能力を両立させることが可能とな
った。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の第１実施例を示し、第１
図はスクロール膨圧１１機の縦断面図、第２図は押し出
し機の概略断面図、第３図は押し出された回転子の横断
面図、第４図は無刷子直流電動機のパルスレイトモジュ
レーション駆動時の等効率線図、第５図は本発明の第２
実施例を示す後方押し出し機の概略断面図、第６図及び
第７図は本発明の第３実施例を示し、第６図は回転子の
側面図、第７図は永久磁石と主ヨークの固相接合体の概
略図、第８図及び第９図は従来例を示し、第８図は各種
の圧縮機による回転角度と圧縮トルクの関係図、７・・・電動機９・・・回転子

Claims

【特許請求の範囲】

　圧縮機と該圧縮機の駆動軸に直結された無刷子直流電
動機を有する空気調和機において、前記圧縮機を、スク
ロール形圧縮機により構成するとともに、前記無刷子直
流電動機の回転子を、イットリウムを含む希士類元素、
遷移金属およびボロンを基本成分とする永久磁石を用い
て構成したことを特徴とする空気調和機。